功率电路、控制方法、电源系统及功率电路的封装结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本案是关于一种功率电路、控制方法、电源系统及功率电路的封装结构，且特别是关于一种具有准级联架构的功率电路、控制方法、电源系统及功率电路的封装结构。
【背景技术】
[0002]高效率和高功率密度一直是业界对电源变换装置的要求。高效率代表着减少能量损耗，并有效地利用能源以利于节能减碳与保护环境。高功率密度则代表着体积小、重量轻，减少空间需求，进而减少成本。
[0003]作为开关电源的重要组成元件之一，有源功率元件的特性对电源的性能就具有非常关键性作用。随着半导体业的持续进步，且基于硅(Si)材料的有源功率元件特性已经接近理论极限，电源特性也因此被提升到相当高的程度。基于碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)等宽禁带材料的功率有源元件有机会具备更小内部阻抗、更小开关损耗及更高的工作温度，可提升效率和功率密度而越来越被关注。
[0004]碳化硅及氮化镓元件等包含常通型(B卩，栅极电压为零时，元件导通；栅极电压为负时，元件关断)和常闭型(即，栅极电压为正时，元件导通；栅极电压为零时，元件关断)两种。然而，常通型元件的一个最明显的问题，就是如何解决启动的问题。
[0005]如图1A所示，降压式(Buck)电路10中的开关元件为常通式开关。举例来说，常通式开关(例如:晶体管Ql及晶体管Q2)在栅极电压为零时，为导通状态，而在栅极为负压时为关断。由于在电路的初始状态(即，电路还未供电的时段；输入电源Vin=O),晶体管Ql及晶体管Q2的栅极电压为零伏特，因此晶体管Ql及晶体管Q2处于导通状态。在电路上电时，即输入电源Vin不等于零时，则晶体管Ql及晶体管Q2会贯穿而导致损坏。
[0006]如图1B所示，即在降压式电路11的输入电源Vin加入常闭式开关(例如:晶体管Qin)。由于供电前，晶体管Qin的栅极电压为零伏特，所以处于关断状态。当输入电源Vin供电时，常闭式开关Qin负责阻断，即可保证安全。当常通式开关的控制信号开始正常工作后，使得晶体管Qin长期导通，这样就实现了安全启动。但不足的是，晶体管Qin的电压应力与晶体管Ql及晶体管Q2 —样，均为输入电源Vin。此外，晶体管Qin通常为硅金属氧化半导体晶体管(Si M0S)，在与氮化镓功率元件的电压等级一样的情况下，晶体管Qin的通态电阻造成的损耗不容忽视，因此较难普及。
[0007]如图1C所示，降压式电路12为串联(Cascade)结构，为较普遍地被设计在氮化镓(GaN)元件的应用中，特别是在电压较高的情况，例如:耐压600伏特。高压元件串联低压元件(例如:耐压40伏特的元件)形成的结构，可以具备类似于传统硅元件的常闭式元件的较佳控制特性。
[0008]然而，由于氮化镓元件和硅元件均工作在高频状态，因此控制的损耗是两者相加，也就是，控制的损耗增大。此外，由于硅元件是以串联方式加入，且工作于高频状态，因此直接导致分布电感增大，产生更多电磁干扰。再者，氮化镓元件是依据关断电流来决定关断控制，因此关断电流越大，关断的控制就越快；相对地，关断电流越小，关断控制就越慢，因此无法发挥氮化镓的最佳特性。另外，氮化镓元件本身是没有反向恢复的，但是与其串联的硅元件的二极管具有较大反向恢复，因此会消去氮化镓元件没有反向恢复的优势，使氮化镓元件不适用于反向恢复大的情况。
[0009]综上所述，如何提升氮化镓元件的能力，以解决控制损耗增大、回路电感增大、反向恢复损牦增大及氮化镓元件特性被限制等问题，进而提升电源变换装置的功率密度或者是变换效率，确实为所属技术领域中亟需克服的重要课题。
【发明内容】
[0010]为解决上述的问题，本发明提供相对低压的常闭式开关，以协助至少一相对高压的常通式开关在无控制信号时，确实地被阻断，而且在控制信号工作时，仅高压的常通式开关进行高频地开关工作，并使相对低压的常闭式开关保持导通状态，借此解决控制损耗增大、回路电感增大、反向恢复损牦增大及氮化镓元件特性被限制等问题，进而提升电源变换装置的功率密度或者是变换效率。
[0011]本发明的一方面是关于一种功率电路，包含一第一准级联功率单元。第一准级联功率单元包含一常通式开关、一常闭式开关、一控制单元、一第一开关单元及一第二开关单元。常通式开关包含一第一端、一第二端及一控制端。常闭式开关以串联方式电性耦接至常通式开关，包含一第一端、一第二端及一控制端。控制单兀包含一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，其中控制单元的第一端电性耦接至常闭式开关的控制端，控制单元的第三端电性耦接至常通式开关的控制端。第一开关单元包含一第一端及一第二端，其中第一开关单元的第一端电性耦接至常通式开关的控制端，第一开关单元的第二端电性耦接至常闭式开关的第二端。第二开关单元包含一第一端及一控制端，其中第二开关单元的控制端电性耦接至控制单元的第二端，且第二开关单元的第二端电性耦接至常通式开关的第二端。
[0012]依据本发明一实施例，其中第一开关单元还包括一控制端，控制端电性耦接至控制单元的第一端以接收控制单元传送的一切换信号。
[0013]依据本发明一实施例，其中控制单元包含一第一控制器及一第二控制器，第一控制器包含一第一端及一第二端，第二控制器包含一第一端及一第二端，第一控制器的第一端及第二端分别为控制单元的第一端及第四端，第二控制器的第一端为控制单元的第三端、第二控制器的第二端为控制单元的第二端。
[0014]依据本发明一实施例，其中第一开关单元为一二极管，第一开关单元的第一端为二极管的阳极，第一开关单元的第二端为二极管的阴极。
[0015]依据本发明一实施例，准及联功率电路还包含一电阻器，电性耦接于常闭式开关的控制端及第二端之间。
[0016]依据本发明一实施例，其中电阻器的阻值可在100欧姆与1000000欧姆之间。
[0017]依据本发明一实施例，功率电路还包含一二极管，其中二极管的阳极电性耦接控制单元，二极管的阴极电性耦接常通式开关的第二端。
[0018]依据本发明一实施例，其中第二开关单元还包括一第二控制端，第二控制端电性耦接至控制单元的第一端以接收控制单元传送的一切换信号。
[0019]依据本发明一实施例，其中第二开关单元包括一第一常闭式开关、一第二常闭式开关、一第三常闭式开关及一电压源，第一常闭式开关、第二常闭式开关和第三常闭式开关中每一者包含一第一端、一第二端及一控制端，第三常闭式开关的控制端自控制单元的第一端接收切换信号，第一常闭式开关的控制端及第二常闭式开关的控制端自控制单元的第二端接收一驱动信号，其中电压源的负极电性耦接至控制单元的第三端，电压源的正极电性耦接至第一常闭式开关的第二端。
[0020]依据本发明一实施例，其中第二开关单元包含一第一常闭式开关、一第二常闭式开关、一电阻器、一电容器及一二极管，第一常闭式开关及第二常闭式开关中每一者包含一第一端、一第二端及一控制端，电阻器电性耦接于控制单元的第二端与第三端之间，第一常闭式开关的控制端及第二常闭式开关的控制端用以自控制单元的第二端接收一驱动信号，第一常闭式开关的第二端电性耦接至二极管的阴极，电容器电性耦接于控制单元的第三端及二极管的阴极之间，二极管的阳极电性耦接至一电压源。
[0021]依据本发明一实施例，其中第二开关单元是整合于控制单元中。
[0022]依据本发明一实施例，功率电路还包含一二极管，电性耦接于常通式开关的第一端及第二端之间，其中二极管的阳极电性耦接至常通式开关的第二端，二极管的阴极电性耦接至常通式开关的第一端。
[0023]依据本发明一实施例，其中控制单元包含一第五端，第五端电性耦接至常通式开关的第一端以检测常通式开关的电流方向。
[0024]依据本发明一实施例，功率电路还包含一第二常通式开关，其中第二常通式开关以串联方式电性耦接至第一准级联功率单元以形成一半桥结构，半桥结构并联一电压源，第二常通式开关与第一准级联功率单元串联连接于一共节点，其中共节点用以作为半桥结构的一输出端。
[0025]依据本发明一实施例，功率电路还包含一第二准级联功率单元，其中第二准级联功率单元电性耦接至第一准级联功率单元以组成一半桥结构，半桥结构并联一电压源，第一准级联功率单元及第二准级联功率单元串联于一共节点，其中共节点用以作为半桥结构的一输出端。
[0026]依据本发明一实施例，其中当常闭式开关接收一控制信号而导通时，常通式开关接收一高频开关信号而工作于一高频开关状态下。
[0027]依据本发明一实施例，其中常闭式开关具有一第一耐压及常通式开关具有一第二耐压，且常闭式开关的第一耐压低于常通式开关的第二耐压的50%。
[0028]依据本发明一实施例，其中常通式开关包含碳化硅接面场效晶体管(SiC JFET)或氮化镓接面场效晶体管(GaN JFET)。
[0029]依据本发明一实施例，其中常闭式开关包含金属氧化半导体晶体管(MOS)或绝缘栅晶体管(IGBT)。
[0030]依据本发明一实施例，其中第一准级联功率单元应用于串联谐振(LLC)电路、电流连续(CCM)工作模式的图腾柱(Totem Pole)功率因数校正(PFC)电路、升压(Boost)电路或降压(Buck)电路其中之一。
[0031]本发明的另一方面是关于一种控制方法，应用于一准级联功率单元，准级联功率单元包含一控制单元以及串联连接的一常通式开关及一常闭式开关，控制单元电性耦接至常通式开关及常闭式开关。控制方法包含:在一第一时段内，控制常闭式开关关断及常通式开关导通；在一第二时段内，控制常闭式开关及常通式开关关断；在一第三时段内，控制常闭式开关导通及常通式开关工作在一高频开关状态；在一第四时段内，控制常闭式开关及常通式开关关断；以及在一第五时段内，控制常闭式开关关断及常通式开关导通。
[0032]依据本发明一实施例，在第一时段内，控制方法还包下列步骤:关闭一第一电压源，并根据具低电位的一控制信号控制常通式开关及常闭式开关；以及，拉升第一电压源的电位自低电位至一第一电压值，使得常通式开关的一驱动电压自低电位下降至常通式开关的一驱动电压阀值。
[0033]依据本发明一实施例，在第二时段内，还包含下列步骤:拉升第一电压源的电位自第一电压值至一第二电压值，使得常通式开关的驱动电压维持在常通式开关的驱动电压阀值；维持第一电压源的电位为第二电压值，使得常通式开关的驱动电压维持在常通式开关的驱动电压阀值；将用以提供操作电压给控制单元的一第二电压源自低电位拉升至控制单元的一工作电压值；维持第一电压源的电位为第二电压值，使得控制单元的工作电压值维持不变，且常通式开关的驱动电压维持在常通式开关的驱动电压阀值；维持第一电压源的电位为第二电压值，使得控制单元的工作电压值维持不变，且常通式开关的驱动电压下降至一驱动电压值。
[0034]依据本发明一实施例，在第三时段内，还包含下列步骤:通过控制单元输出具高电位的一控制信号至常闭式开关的控制端，以控制常闭式开关导通；通过控制单元输出具高电位的控制信号至常闭式开关的控制端，并输出一高频开关驱动信号至常通式开关的控制端；下拉第一电压源的电位自第二电压值至一欠压保护电压阀值，且通过控制单元输出具高电位的控制信号至常闭式开关的控制端并输出高频开关驱动信号至常通式开关的控制端。
[0035]依据本发明一实施例，在第四时段内，还包含下列步骤:下拉第一电压源的电位自欠压保护电压阀值至一第三电压值；于第九时间点，通过控制单元输出具低电位的控制信号至常闭式开关的控制端，以控制常闭式开关关断；下拉第二电压源自控制单元的工作电压值至低电位，使得常通式开关的驱动电压上升至常通式开关的驱动电压阀值；下拉第一电压源的电位自第三电压值至第一电压值，使得常通式开关的驱动电压维持在常通式开关的驱动电压阀值。
[0036]依据本发明一实施例，在第五时段内，还包含下列步骤:下拉第一电压源自第一电压值至低电位，使得常通式开关的驱动电压自常通式开关的驱动电压阀值上升至低电位；断开第一电压源，并通过具低电位的控制信号控制常通式开关及常闭式开关。
[0037]依据本发明一实施例，其中准级联功率单元与一第二常通式开关串联以组成一半桥电路，控制单元电性耦接至准级联压功率单元的常通式开关及常闭式开关及第二常通式开关，控制方法还包含下列步骤:在第一时段内，控制第二常通式开关导通；在第二时段内，于第三时间点至第六时间点之间，控制第二常通式开关导通，且于第六时间点至第七时间点之间，控制第二常通式开关关断；在第三时段内，控制第二常通式开关工作在一高频开关状态；在第四时段内，于第九时间点至第十时间点之间，控制第二常通式开关关断，且于第十时间点至第十一时间点之间，控制第二常通式开关导通；以及第五时段内，控制第二常通式开关导通。
[0038]本发明的另一方面是关于一种电源系统。电源系统包含一变换单元及一电压调整单兀。变换单兀包含一输入端及一输出端，其中开关单兀的输入端用以电性I禹接至一输入电源。电压调整单元包含一输入端及一输出端，其中电压调整单元的输入端电性耦接至变换单元的输出端，电压调整单元的输出端用以电性耦接一负载。变换单元包含一第一准级联功率单兀。第一准级联功率单兀包含一第一常通式开关，包含一第一端、一第二端及一控制端。第一常闭式开关以串联方式电性耦接至常通式开关，包含一第一端、一第二端及一控制端。控制单兀包含一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，并用以分别独立控制第一常通式开关及第一常闭式开关。控制单元的第一端电性耦接至常闭式开关的控制端，控制单元的第三端电性耦接至常通式开关的控制端。
[0039]依据本发明一实施例，其中其中第一准级联功率单元还包含一电容器，其中电容器与常闭式开关并联耦接。
[0040]依据本发明一实施例，其中第一准级联功率单元还包含一二极管，其中二极管的阴极电性耦接至第一常闭式开关的第二端。
[0041]依据本发明一实施例，其中电压调整单元包含一电容器及一电感器，电容器与负载并联耦接，电感器电性耦接于电容器和第一常闭式开关的第二端之间。
[0042]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一第二准级联功率单元，其中第一准级联功率单元串联耦接至第二准级联功率单元，第二准级联功率单元包含一第二常通式开关及一第二常闭式开关，第一准级联功率单元及第二准级联功率单元分别包含一第一电容器及一第二电容器，第一电容器并联第一常闭式开关，第二电容器并联第二常闭式开关。
[0043]依据本发明一实施例，其中第一电容器的容量大于第一常闭式开关的第一端及第二端之间的寄生电容的10倍，第二电容器的容量大于第二常闭式开关的第一端及第二端之间的寄生电容的10倍。
[0044]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一第一电容器、一输入电容器及一第二准级联功率单元，第二准级联功率单元包含一第二常通式开关及一第二常闭式开关，其中第一准级联功率单元串联耦接于第二准级联功率单元，第二准级联功率单元包含一第二电容器，第二电容器并联第二常闭式开关，第一电容器电性稱接于第一常闭式开关的第一端及第二常通式开关的一第一端之间，输入电容器电性耦接于第一常闭式开关的该第二端及第二常通式开关的一第一端之间。
[0045]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一第二常通式开关及一电容器，第二常通式开关串联耦接至第一准级联功率单元，并与第一准级联功率单元组成一半桥电路，电容器并联第一准级联功率单元中的第一常闭式开关。
[0046]依据本发明一实施例，其中电容器的容量大于第一常闭式开关的第一端及第二端之间的寄生电容的10倍。
[0047]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一第二常通式开关、一输入电容器及一电容器，第二常通式开关串联耦接至第一准级联功率单元，与第一准级联功率单元组成一半桥电路，电容器电性耦接于第一常闭式开关的第一端及第二常通式开关的第一端之间，输入电容器电性耦接于第一常闭式开关的该第二端及第二常通式开关的一第一端之间。
[0048]依据本发明一实施例，其中电容器的容量为10微法拉以下。
[0049]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一稳压管或一稳压箝位装置，稳压管或稳压箝位装置并联第一常闭式开关。
[0050]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一稳压箝位装置，稳压管或稳压箝位装置电性耦接于第一常闭式开关的控制端及第一常闭式开关的第一端之间。
[0051]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一第二电容器，第二电容器并联耦接第一常闭式开关的第一端及第二端。
[0052]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一开关，开关电性耦接于第二常通式开关的控制端与一电压源之间。
[0053]依据本发明一实施例，其中变换单元还包含一第三常通式开关及一第四常通式开关，第三常通式与第四常通式开关串联耦接，第三常通式开关的一第二端电性耦接至第一常通式开关的第二端，且第四常通式开关的一第一端电性耦接第二常通式开关的第一端。
[0054]依据本发明一实施例，其中控制单元包含一第一控制器及一第二控制器，第一控制器包含一第一端及一第二端，第二控制器包含一第一端及一第二端，第一控制器的第一端及第二端分别为控制单元的第一端及第四端，以及第二控制器的第一端及第二端分别为控制单元的第三端及第二端。
[0055]依据本发明一实施例，其中常闭式开关具有一第一耐压及常通式开关具有一第二耐压，且常闭式开关的第一耐压低于常通式开关的第二耐压的50%。
[0056]依据本发明一实施例，其中常通式开关包含碳化硅接面场效晶体管(SiC JFET)或氮化镓接面场效晶体管(GaN JFET)。
[0057]依据本发明一实施例，其中常闭式开关包含金属氧化半导体(MOS)或绝缘栅晶体管(IGBT)。
[0058]本发明的另一方面是关于一种功率电路的封装结构，包含一第一常闭式开关、一第二常闭式开关及一常通式开关。第一常闭式开关包含一第一端、一第二端及一控制端，其中第一常闭式开关的第一端形成一第一接脚。第二常闭式开关包含一第一端、一第二端及一控制端，其中第二常闭式开关的第二端电性耦接第一常闭式开关的第一端，第二常闭式开关的控制端电性耦接第一常闭式开关的控制端以形成一第二接脚，且第二常闭式开关的第一端形成一第三接脚。常通式开关与第一常闭式开关和第二常闭式开关集成，并包含一第一端、一第二端及一控制端。常通式开关的控制端电性耦接第二常闭式开关的第一端，常通式开关的第二端电性耦接第二常闭式开关的第二端以形成一第四接脚，且常通式开关的第一端形成一第五接脚。第一接脚、第二接脚及第三接脚分别用以接收一控制信号，第四接脚及第五接脚用以与一外部电路连接。
[0059]依据本发明一实施例，其中第一常闭式开关与第二常闭式开关集成于一第一芯片，常通式开关集成于一第二芯片。
[0060]依据本发明一实施例，其中第一芯片堆叠于第二芯片上。
[0061]依据本发明一实施例，封装结构还包含一电容器，其中电容器是堆叠于第一芯片上。
[0062]依据本发明一实施例，封装结构还包含一电容器，其中电容器是堆叠于第一芯片上。
[0063]依据本发明一实施例，其中第一常闭式开关与第二常闭式开关集成为一半导体结构，半导体结构与常通式开关集成于同一集成电路芯片。
[0064]依据本发明一实施例，其中半导体结构包含碳化硅(SiC)晶体管、硅(Si)晶体管或氮化镓(GaN)晶体管。
[0065]依据本发明一实施例，封装结构还包含一电容器，其中电容器是堆叠于半导体结构上。
[0066]依据本发明一实施例，其中第一常闭式开关与第二常闭式开关组成一图腾柱(totem pole)结构。
[0067]依据本发明一实施例，其中常通式开关包含碳化硅接面场效晶体管(SiCJFET)或氮化镓接面场效晶体管(GaN JFET)。
[0068]本发明的另一